基于SolidWorks的非圆齿轮3D设计与3D打印

叶义桂，黄志东，张傲风，邸晓雨，高诗雨，李 治

(辽宁科技学院 机械工程学院，辽宁 本溪 117004)

随着计算机技术和数控技术的进步，非圆齿轮的设计与加工技术显著提升〔1〕。尤其是增材制造技术的兴起，给非圆齿轮提供了新的研究思路。本文研究非圆齿轮的结构设计，利用SolidWorks软件实现非圆齿轮的三维建模，并采用3D打印技术打印出非圆齿轮。

1 非圆齿轮设计

椭圆齿轮机构〔2-3〕简图如图1所示，左边齿轮为主动轮，绕左焦点O1转动，转角为φ1，右边齿轮为从动轮，绕左焦点O2转动，转角为φ2。

图1 椭圆齿轮机构简图

主动轮的节曲线可表示为：

(1)

式中：φ1为主动轮转角；a为椭圆的长半轴；

b为椭圆的短半轴；e为椭圆的对称中心到焦点的距离。

主动轮的向径为r1，从动轮的向径为r2，齿轮副中心距为2a，由R1+R2=2a可得：

(2)

于是，可推导出椭圆齿轮传动比为：

(3)

2 非圆齿轮三维建模

本文以某椭圆齿轮为例，建立三维模型并完成3D打印，其主要参数为e=0.4、m=2.5、Z=43、α=20°。

2.1 绘制节曲线

由文献〔4〕可知，节曲线的长半轴a=20.033 4。利用公式驱动曲线功能，绘制椭圆，如图2所示。

图2 绘制节曲线

2.2 确定轮齿位置

利用等分点功能将节曲线等分为85份，如图3所示。

图3 等分节曲线

连接等分点与O2，并测出连线与X轴正半轴夹角，从而确定轮齿位置，如图4所示。

图4 确定轮齿位置

2.3 确定轮齿方向

根据文献〔5〕，计算各点的曲率半径、当量基圆半径，见表1所示。

表1 各点曲率半径和当量基圆半径

根据各点的当量基圆半径绘制渐开线，通过平移和旋转命令找到各轮齿的齿廓位置和方向，如图5所示。

图5 旋转渐开线

2.4 生成椭圆齿轮实体模型

通过绘制齿根过渡曲线，最终由草图拉伸生成椭圆齿轮实体模型，如图6所示。

图6 椭圆齿轮实体模型

3 非圆齿轮3D打印

3.1 准备阶段

首先调整工作台初始状态，将椭圆齿轮保存为STL格式文件，通过太尔时代3D打印机操作软件Upstudio导入STL文件，如图7所示。

图7 导入STL文件

3.2 设计计算阶段

完成打印设置，包括层片厚度、填充方式、补偿高度、喷嘴高度等，如图8所示。通过打印预览可以计算出打印模型所需时间，也可以了解支撑的形状和大小，如图9所示。

图8 打印设置

图9 计算打印时间

3.3 打印阶段

打印过程中可以随时监控打印状态，如果出现喷头堵塞、喷嘴温度过高等故障，打印机会实时提醒，如图10所示。最终获得椭圆齿轮3D打印成品，如图11所示。

图10 打印状态

图11 椭圆齿轮3D打印成品

4 结语

本文通过分析非圆齿轮的结构参数特征，完成了非圆齿轮的3D设计，利用SolidWorks软件建立非圆齿轮的三维模型，并生成STL文件，最后采用3D打印技术打印出非圆齿轮，为非圆齿轮的智能加工提供了新思路。